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Die
Erfindung betrifft ein Generatorgehäuse zur Aufnahme eines
Stators und eines um eine Antriebswelle rotierenden Rotors. Insbesondere
betrifft die Erfindung ein Generatorgehäuse für
den Generator einer Windenergieanlage.
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Generatoren
sind ein integraler Bestandteil von Windenergieanlagen. In letzter
Zeit ist mit zunehmendem Anstieg der Leistung der neu entwickelten Generatoren
auch der Kühlbedarf dieser Generatoren deutlich angestiegen.
Eine ausreichende Kühlung ist jedoch zwingend erforderlich,
um einer Beschädigung der Generatorkomponenten, insbesondere
bei Volllast entgegenwirken zu können. Speziell der mit
zunehmender Leistungsdichte gestiegene Wär meanfall erfordert
eine ausreichend dimensionierte Kühlung, um gerade die
in den Wickelköpfen angeordneten elektrischen Wicklungen
nicht zu beschädigen.
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Hierfür
wird auf Kühlmittel, beispielsweise eine Flüssigkeit,
z. B. Wasser oder Öl, oder ein Gas oder Gasgemisch, z.
B. Luft, zurückgegriffen, die die zu kühlenden
Komponenten entweder in besonderen, von den Komponenten durch eine
Wandung getrennten Kühlkanälen umströmen
oder die Komponenten vollständig umfließen. Letzteres
wird beispielsweise durch einen in der Gondel einer Windenergieanlage
geführten Luftstrom realisiert, wie diese beispielsweise
aus der
DE 10
2004 014 876 A1 bekannt ist.
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Allerdings
weist eine Luftkühlung bestimmte Nachteile auf. Zum einen
ist der zur Realisierung eines Luftstroms in der Gondel einer Windenergieanlage
benötigte Platz erheblich. Zum anderen ergibt sich aus
der Verwendung von Luft als Kühlmittel, insbesondere bei
Offshore-Windenergieanlagen, das Problem einer erhöhten
Korrosionsgefährdung. Um diesem Nachteil entgegenzuwirken
werden zwar Filter und geschlossene Kreislaufsysteme vorgesehen. Diese
sind jedoch nicht so effizient wie die bekannten Wasserkühlungssysteme
mit einem Wasser/Glykol-Gemisch mit im Verhältnis höherer
Wärmekapazität und besitzen zudem noch einen größeren
Platzbedarf. Vorrangig werden jedoch Lösungen gesucht, die
kompaktere Windenergieanlagen ermöglichen.
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Beispielsweise
ist es bekannt, die Blechpakete eines Stators mit Bohrungen zu versehen,
in die Kühlkanäle eingezogen werden. Obwohl durch
unmittelbaren Kontakt des Stators mit den Kühlkanälen ein
guter Wärmeübergang erreicht werden kann, ist diese
Ausführung aufgrund sehr genau auszuführender
Abmessungen arbeitstechnisch sehr aufwändig. Außerdem
muss in dem Fall, dass die die Blechpakete durchziehenden Kühlkanäle
miteinander kommunizierend verbunden werden sollen, über
die Durchführung durch die Blechpakete hinaus zusätzlicher Platz
für die Verbindung der Kühlkanäle untereinander
geschaffen werden. Schließlich besteht auch das Problem,
dass die Kühlflüssigkeit bei einem Defekt eines
Kühlkanals direkt in den Generator läuft und hier
Schädigungen hervorruft.
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Andererseits
sind beispielsweise aus der
EP 0
967 708 A2 zusätzliche Elemente bekannt, die zur Wärmeabführung
(hier bei einem Elektromotor) am Umfang des Stators angeordnet sind.
Jedoch ist es notwendig ein zusätzliches Bauelement zu
schaffen, das einer Windenergieanlage zusätzliches Gewicht verleihen
würde. Außerdem sind auch hier einen relativ großen
Raum einnehmende Umlenkeinrichtungen zur Ausbildung miteinander
kommunizierender, mäandrierender Kühlkanäle
notwendig.
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Insgesamt
ist festzustellen, dass die bekannten Mittel zum Bewirken einer
Kühlung insbesondere des Generators einer Windenergieanlage
sehr aufwändig sind, einen großen Raum einnehmen
und das Gewicht einer Windenergieanlage teils stark erhöhen.
Die bekannten Kühlungsmaßnahmen für Generatoren
stehen daher einer kompakten und relativ leichtgewichtigen Ausführung
einer Windenergieanlage entgegen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es somit, einen Generator für eine Windenergieanlage
bereitzustellen, der kompakte Maße, ein relativ geringes
Gewicht und Mittel aufweist, die eine hinreichende Kühlung
aller Komponenten des Generators gewährleisten.
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Die
Aufgabe wird durch ein Generatorgehäuse mit den Merkmalen
von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
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Grundgedanke
der Erfindung ist es, ein Generatorgehäuse zu schaffen,
dessen Wandung ein über wenigstens eine Teillänge
des Generatorgehäuses durch Kühlkanalabschnitte
gebildetes mäandrierendes Kühlkanalsystem aufweist,
das durch Stege gebildet wird, deren Länge kürzer
als die vom Kühlsystem eingenommene Teillänge
des Generatorgehäuses ist. Hierzu ist es also notwendig,
dass die Stege kürzer als die Kühlkanalabschnitte
und zueinander derart versetzt angeordnet sind, dass ein Kühlmittel
die Kühlkanalabschnitte entlang wenigstens einen Teils
des Umfangs des Generatorgehäuses mäandrierend
durchlaufen muss.
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Mit
dieser Ausgestaltung eines Generatorgehäuses können
kompakte und relativ leichtgewichtige Generatoren geschaffen werden,
wobei auf einen guten Wärmeübergang der vom Gehäuse
aufgenommenen Generatorelemente zum Generatorgehäuse zu
achten ist. Insbeson dere können Windenergieanlagen vom
erfindungsgemäßen Generatorgehäuse profitieren,
da hiermit eine Platz und Gewicht sparende Alternative zu herkömmlichen
Generatoren geschaffen wird.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht der Kühlkanäle zur Erläuterung
des Kühlprinzips,
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2 einen
Querschnitt durch ein Generatorgehäuse nach der Erfindung,
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3 eine
perspektivische Ansicht des Generatorgehäuses aus 2,
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4 eine
Schnittansicht in Längsrichtung des Generatorgehäuses
nach einem besonders bevorzugt ausgebildeten Ausführungsbeispiels
nach der Erfindung und
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5 eine
geschnittene Seitenansicht einer besonders bevorzugt ausgestalteten
Windenergieanlage.
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1 zeigt
das Grundprinzip der Erfindung in einer schematischen, abgewickelten
Ansicht des im Generatorgehäuse vorgesehenen Kühlabschnitts. Deutlich
zu erkennen ist die Mehrzahl von das Generatorgehäuse in
axialer Richtung durchziehenden ersten Kühlkanalabschnitten 30,
wobei in dieser Ansicht auch ein zweiter Kühlkanal 35 eingezeichnet
ist. Die ersten Kühlkanalabschnitte 30 zu beiden
Seiten des zweiten Kühlkanalabschnitts 35 sind
miteinander kommunizierend zu in radialer Richtung mäandrierenden
Kühlkanälen zusammengefasst, wobei der zweite
Kühlkanalabschnitt 35 im gezeigten Beispiel als
linearer Kanal ausgebildet ist. Als Kühlkanalabschnitt 30, 35 wird
dabei der lineare Abschnitt in axialer Richtung zwischen den in 1 gezeigten,
die Kühlkanalabschnitte 30, 35 bzw. die
Kühlkanäle stirnseitig verschließenden
Abschlusselemente 60 bezeichnet.
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Die
ersten Kühlkanalabschnitte 30 sind durch benachbart
angeordnete Stege 40 gebildet, wobei je zwei benachbarte
Stege der ersten Kühlkanalabschnitte 30 an sich
in axialer Richtung gegenüberliegenden Enden der ersten
Kühlkanalabschnitte 30 ansetzen. Es versteht sich,
dass die ersten Kühlkanalabschnitte 30 an deren
Enden nicht offen, sondern geschlossen ausgebildet sind. Dieses
kann in jeder für den Fachmann geeigneten Art und Weise oder
besonders bevorzugt wie im Folgenden durch das bevorzugte ringförmige
Abschlusselement 60 beschrieben erfolgen. Es versteht sich
weiterhin, dass Anschlüsse vorgesehen sein müssen,
die eine Zu- und Ableitung von Kühlmittel ermöglichen
(vgl. 4) Die zweiten Kühlkanalabschnitte 35 hingegen weisen
besonders bevorzugt in radialer Richtung Öffnungen auf,
durch die im Generatorraum zirkulierende Luft in die zweiten Kühlkanäle 35 eintreten
und diese wieder verlassen kann.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Generatorgehäuse. Das Generatorgehäuse 10 ist
als Hohlzylinder mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildet.
Dabei kann der Querschnitt des Hohlzylinders entlang der axialen
Erstreckung des Generatorgehäuses 10 konstant
oder veränderlich, z. B. mit einer konisch zulaufenden
Wandung 20, ausgebildet sein. Darüber hinaus kann
auch die Dicke der Wandung 20 des Generatorgehäuses 10 entlang
der axialen Erstreckung des Generatorgehäuses 10 abschnittsweise
unterschiedlich dick ausgebildet sein, um besonderen konstruktiven,
z. B. statischen oder funktionellen, Erfordernissen zu genügen.
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Die
Wandung 20 des beispielhaften Generatorgehäuses 10 von 2 weist
entlang ihres Umfangs eine Vielzahl von Bohrungen 50 auf,
die zur Verbindung des Generatorgehäuses 10 einerseits mit
dem Getriebegehäuse und andererseits mit dem Kopfstück
der Windenergieanlage dienen (vgl. 5). Besonders
bevorzugt ist dabei eine Ausbildung einer Windenergieanlage mit
einer auf einem Turm, im Allgemeinen drehbar angeordneten Gondel,
die einen Generator, ein Getriebe und ein Rotorlager zur Lagerung
eines mit einer wenigstens ein Rotorblatt tragenden Nabe verbundenen
Rotors aufnimmt, wobei wenigstens ein Teilabschnitt der Gondel vom
Generatorgehäuse gebildet ist. Das bedeutet, dass bei einer
derartigen Aus gestaltung auf eine Gondel, d. h. ein Gondelgehäuse,
weitestgehend verzichtet werden kann. Sind auch Getriebegehäuse und
Lagergehäuse und Kopfstück derart ausgebildet, dass
die Außenwandung dieser Bauelemente zugleich die Außenwandung
der Windenergieanlage darstellt, d. h. diese Elemente ohne weitere
Verkleidung, nämlich eine Gondel, auskommen, kann ein sehr
kompakter und in Bezug auf das Gewicht einer derartigen Anlage relativ
leichter Aufbau erreicht und dadurch Kosten eingespart werden.
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Weiterhin
sind auch im Querschnitt des Generatorgehäuses 10 von 2 die
in der Wandung 20 des Generatorgehäuses angeordneten
Kühlkanalabschnitte 30 deutlich zu erkennen. Die
Kühlkanalabschnitte 30 sind durch Stege 40 gebildet,
die zwei benachbarte Kühlkanalabschnitte 30 nicht
vollständig voneinander trennen, sondern jeweils eine gemeinsame
Wandung benachbarter Kühlkanalabschnitte 30 bilden,
die von einer Stirnseite, d. h. einem Ende benachbarter Kühlkanalabschnitte 30,
bis nahe, aber nicht vollständig zur gegenüberliegenden Stirnseite,
d. h. dem anderen Ende der benachbarten Kühlkanalabschnitte 30,
reichen. Dieses wird konstruktiv dadurch erreicht, dass die Länge
der Stege 40 kürzer als die Länge der
Kühlkanalabschnitte 30 ist, wodurch die benachbarten
Kühlkanalabschnitte 30 also miteinander kommunizierend
ausgebildet sind.
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Dabei
ist erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen, dass
zwei einen Kühlkanalabschnitt 30 bildende Stege 40 an
gegenüberliegenden Enden des Kühlkanalabschnitts
ansetzen, d. h. das die jeweils benachbarten Stege 40 zueinander
versetzt angeordnet sind und die miteinander kommunizierenden Kühlkanalabschnitte 30 ein
mäandrierendes Kühlmittelleitungssystem ausbilden.
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Im
gezeigten Beispiel sind die Kühlkanalabschnitte 30 als
eine Teillänge des Generatorgehäuses durchziehende
offene Kanalabschnitte 30 ausgebildet. Diese werden an
ihren beiden Enden durch jeweils ein Ringelement (ringförmiger
Abschlussdeckel) verschlossen, sodass ein mäanderförmiges Kühlsystem
entsteht. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Stege 40 und
die Innen- und Außenwandung 20, 25 der
Kühlabschnitte 30, 35 einen Flansch ausbilden,
auf den das Ringelement 60 einschließlich einer
in den Zeichnungen nicht dargestellten Dichtung aufgebracht und
fest mit den Stegen 40 verbunden wird. Aufwändige
und großräumige Umlenkeinrichtungen zur Ausbildung
von mäandrierenden Kühlsystemen entfallen somit.
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Bevorzugt
können einzelne Kühlkanalabschnitte 30 zu
funktionellen Gruppen zusammengefasst sein, sodass nicht alle Kühlkanalabschnitte 30 miteinander
kommunizierend ausgebildet sein müssen. Beispielsweise
ist es möglich, den Umfang des Generatorgehäuses 10 in
vier Sektoren zu unterteilen, in denen die Kühlkanalabschnitte 30 miteinander,
nicht aber mit Kühlkanalabschnitten 30 anderer Sektoren
kommunizieren. Da das in den mäandrierenden Kühlkanälen 30 geführte
Kühlmittel nicht entlang des gesamten Umfangs des Generatorgehäuses 10 geführt
werden muss, kann eine gleichmäßigere Wärmeabfuhr
erreicht werden, wobei auch ein übermäßiger
Temperaturanstieg im Kühlmittel vermieden werden kann.
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Weiter
ist auch bevorzugt vorgesehen, dass zu den oben genannten, ersten
Kühlkanalabschnitten 30 weitere mit diesen ersten
Kühlkanalabschnitten 30 nicht kommunizierende
zweite Kühlkanalabschnitte 35 vorgesehen sind.
Diese können beispielsweise wie die oben genannten ersten
Kühlkanalabschnitte 30 ausgebildet sein. Es kann
sich bei den zweiten Kühlkanalabschnitten 35 aber
auch um einfache lineare Kanäle in der Generatorwandung 10 handeln,
die besonders bevorzugt ein sich von dem in den ersten Kühlkanälen 30 geführten
Kühlmittel unterscheidendes Kühlmittel führen.
Die zweiten Kühlkanäle 35 können
insbesondere bei Spitzenlasten und einer damit verbundenen erhöhten
Wärmeproduktion beispielsweise mittels einer geeigneten Steuerung
freigegeben werden und so die Kühlungsleistung regulieren.
Es versteht sich jedoch, dass eine derartige Steuerung nicht vorhanden
sein muss und auch die zweiten Kühlkanäle 35 permanent
von einem Kühlmittel durchströmt sein können.
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Das
die ersten Kühlkanäle und/oder zweiten Kühlkanäle 35 durchströmende
Kühlmittel kann beispielsweise Wasser oder ein Wasser/Glykol-Gemisch
sein. Das Kühlmittel kann auch ein Gas oder Gasgemisch,
z. B. Luft, sein. Ist das Kühlmittel eine Flüssigkeit
ist insbesondere darauf zu achten, dass die ersten und/oder die
zweiten Kühlkanäle 30, 35 bzw.
das Generatorgehäuse 10 aus einem Material bestehen,
dass nicht vom Kühlmittel angegriffen wird und mit dem
Kühlmittel keine chemische Reaktion eingeht, die zu die
Kühlkanäle blockierenden Ablagerungen führen
könnte. Alternativ können die Wandungen der Kühlkanalabschnitte 30, 35, i.
e. die Stege 40, eine Beschichtung aufweisen, die während
der Lebensdauer der Windenergieanlage unveränderte Strömungseigenschaften
gewährleistet.
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Besonders
bevorzugt ist vorgesehen, dass die ersten Kühlkanäle 30 von
einer Kühlflussigkeit und die zweiten Kühlkanäle 35 von
Luft durchströmt werden. Diese können als Kreisläufe
ausgebildet sein. Insbesondere ist nach einem besonders bevorzugten
Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass im Generatorinnenraum
Luft zum Abführen der in den Wickelköpfen anfallenden
Wärme umgewälzt und in die zweiten Kühlkanalabschnitte 35 geführt
wird, um dort die mit der Luft transportierte Wärme an
den in den ersten Kühlkanälen 30 geführten
Flüssigkeitskreislauf abzugeben.
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Die
Herstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Generatoren
ist sehr aufwändig. Insbesondere ist es sehr aufwändig
die Einzelteile der Generatoren in ihren Abmessungen aufeinander
abzustimmen und die Einzelteile zusammenzusetzen. Da dieses regelmäßig
durch Temperaturunterschiede zwischen den Einzelbestandteilen, d.
h. durch Erwärmen einiger Bestandteile erfolgt, ist das
gesamte Verfahren sehr arbeits-, zeit- und kostenaufwändig.
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Insbesondere
bei der vorliegenden Erfindung ist es aufgrund der im Generatorgehäuse
angeordneten Kühlanordnung notwendig, einen guten Wärmeübergang
zwischen Stator und Gehäuse zu schaffen.
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Grundgedanke
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ist es nun das Generatorgehäuse
auf seiner Innenoberfläche konisch auszubilden, sodass eine
durch axiale Verspannung erreichte Flächenpressung zwischen
Stator und Generatorgehäuse zu einem guten Wärmeübergang
beiträgt.
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Nach
einem weiteren in 4 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist vorgesehen, dass das Generatorgehäuse 10 zweiteilig
ausgebildet ist und aus einem hohlzylindrischen Grundkörper 12 und
einem die Kühlkanäle aufnehmenden Kühlkörper 14 besteht,
die beide miteinander verbunden werden können. Besonders
bevorzugt ist die konusförmige Ausbildung des Kühlkörpers 14 auf
seiner Innen- und/oder Außenoberfläche, da hierdurch
ermög licht ist, den Kühlkörper 14 bei
Einsetzen in den Grundkörper 12 des Generatorgehäuses 10 stramm
im Sinne einer Flächenpressung an das Blechpaket 16 zu
setzen und damit einen sehr guten Wärmeübergang zwischen
Blechpaket 16 und Kühlkörper 14 zu
erreichen. Insbesondere sind hierfür Stellmittel 18 vorgesehen,
die die relative Position des Kühlkörpers 14 zum
Grundkörper 12 und den Blechpaketen 16 bestimmt.
Für einen guten Wärmeübergang kann der Kühlkörper 14 auf
seiner den Blechpaketen 16 zugewandten inneren Seite beispielsweise
eine Spritzverzinkung aufweisen.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht aufgrund des erfindungsgemäßen
Generatorgehäuses 10 die Herstellung eines kompakten
Generators mit integrierter Kühlung, der insbesondere zum
Bau einer sehr kompakten Windenergieanlage geeignet ist.
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Schließlich
zeigt 5 eine geschnittene Seitenansicht einer besonders
bevorzugt ausgestalteten Windenergieanlage, die im Folgenden im
Detail beschrieben wird.
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Der
durch die Rotorblätter 110 und die Nabe 112 der
Windenergieanlage gebildete Rotor wird durch das Rotorlager 116 gelagert
und überträgt die Kräfte und Momente
auf die nachfolgenden Bauteile. Das Getriebe ist im Getriebegehäuse 118 integriert. Der
nachgeschaltete Generator ist im Generatorgehäuse 120 eingebaut.
Beide Gehäuse 118, 120 haben in etwa
den gleichen Durchmesser und sind miteinander verschraubt. Das Generatorgehäuse 120 ist wiederum
mit einem Kopfträger 122 verschraubt, der die
Lasten über ein Azimutlager 142 in einen Turm 114 einleitet.
Alle erforderlichen Aggregate und Komponenten sind in diesen Elementen
untergebracht. Eine zusätzliche Gondelverkleidung zum Witterungsschutz
und zur Aufnahme von Nebenaggregaten ist nicht erforderlich. Zur
teilweisen Abfuhr der Verlustwärme an die Außenluft
sind beide Gehäuse außen mit Kühlrippen
versehen.
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Die
Nabe 112 ist über die Verschraubung 152 mit
dem Hohlrad 124 der ersten Getriebestufe verbunden. Dieses
Hohlrad 124 ist in den Innenring der Rotorlagers 16 eingepresst
und fest verbunden. Der Außenring 130 des Rotorlagers 116 ist
durch die Schrauben 154 mit dem Getriebegehäuse 118 und über
dieses mit dem Generatorgehäuse 120 fest verbunden.
Die Labyrinthdichtung 150 dichtet das Getriebe 136 nach
außen ab. Die Planetenräder 156 der ersten Getriebestufe
sind über sphärische Gleitlager 126 gelagert.
Diese Gleitlager 126 werden über Lagerzapfen 128 an
dem Getriebegehäuse 118 befestigt. Die Planetenräder 156 übertragen
das Drehmoment an das Sonnenrad 158. Zentrisch im Sonnenrad
ist eine Bogenverzahnung angebracht, die das Drehmoment auf die
Zwischenwelle 160 überträgt. Diese Zwischenwelle 160 wiederum
ist in den Planetenträger 162 der zweiten Planetenstufe
eingesteckt. Die zweite Planetenstufe 132 ist ebenfalls
in das Getriebegehäuse 118 integriert und treibt
das Sonnenrad mit der Übertragungswelle 166 an.
Diese Übertragungswelle 166 ist durch eine Bogenverzahnung
mit dem Generatorantriebsflansch 168 drehmomentmäßig
verbunden. Der Generator 134 ist als permanent erregter
Synchrongenerator ausgeführt, der in das erfindungsgemäße
Generatorgehäuse 120 eingebaut und mit Kühlkanälen 136 versehen
ist. Der Kühlkreislauf wird durch die Förderpumpe 164 betrieben
und die Abwärme durch den Kühler 148 an
die Außenluft abgeführt. Das Generatorgehäuse 120 ist mit
den Verschraubungen 138 mit dem Kopfträger 122 verbunden.
Der Kopfträger 122 beinhaltet die Verstellantriebe 144 für
die Windrichtungsnachführung, die Vertikalbremsen 140,
die Kühler 148 für das Getriebe und den
Generator, den Getriebeölbehälter 146 mit
Filtern und Umwälzpumpen sowie die Umwälzpumpe 164 für
den Generatorkühlkreislauf. Durch die beiden Getriebestufen
und den Generator ist ein zentrales Rohr 170 zentrisch
durchgeführt, in dem die Energieversorgung für
die Rotorblattverstellung verlegt ist. Über die Drehdurchführung
bzw. den Schleifring 172 wird die erforderliche Energie
vom still stehenden Teil des Kopfträgers 122 auf
die drehende Nabe 112 übertragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004014876
A1 [0003]
- - EP 0967708 A2 [0006]